(57)【要約】【課題】システム全体として長寿命化を図ることの出来る燃料電池システムを提供する。【解決手段】少なくとも２個以上の燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、所定の電流密度、かつ所定の目標電圧以上の出力電圧の条件の下、それぞれの燃料電池スタックを１つずつ単独使用して発電を行う。すべての燃料電池スタックを単独使用した発電の終了後、それらの燃料電池スタックを並列接続して発電を継続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、少なくとも１つの燃料電池スタックの出力電圧が目標電圧を下回った場合、出力電圧が目標電圧を下回った燃料電池スタックと、他の燃料電池スタックとを並列接続して、目標電圧以上の出力電圧を得ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、出力電圧が目標電圧を下回った少なくとも２つの燃料電池スタックを並列接続して、目標電圧以上の出力電圧を得ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、出力電圧が目標電圧を下回った燃料電池スタックが１つ以下の場合には、出力電圧が目標電圧以上の１つの燃料電池スタックを選択して、目標電圧以上の出力電圧を得ることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の燃料電池から構成される燃料電池システムは、通常単位電池（セル）を所定数積層したスタックから構成され、車両駆動用など大電力が必要な場合には、このスタックを複数個使用する。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−９６７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、燃料電池（例えば、固体高分子型燃料電池）は、連続使用に伴い触媒が劣化する等の原因で、出力電圧が次第に低下する。そして、出力電圧が目標電圧以下になると、電源として十分な機能が果たせなくなるため、その燃料電池は、新しいものと交換される。しかし、出力電圧が低下した燃料電池は、発電が不可能な状態にあるわけではない。従って、このような燃料電池をさらに長時間使用することができれば、コスト低減の観点、システム全体の長寿命化の観点より望ましい。
【０００５】
なお、特許文献１では、一部の燃料電池が故障した場合に、故障した燃料電池を切り離し、正常な燃料電池のみで運転を継続することが示されている。しかし、燃料電池の長寿命化を可能にすることなどについての記載はない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するための手段として、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、少なくとも１つの燃料電池スタックの出力電圧が目標電圧を下回った場合、出力電圧が目標電圧を下回った燃料電池スタックと、他の燃料電池スタックとを並列接続して、目標電圧以上の出力電圧を得ることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【０００７】
上記燃料電池システムにおいて、出力電圧が目標電圧を下回った少なくとも２つの燃料電池スタックを並列接続して、目標電圧以上の出力電圧を得ることが望ましい。
【０００８】
また上記燃料電池システムにおいて、出力電圧が目標電圧を下回った燃料電池スタックが１つ以下の場合には、出力電圧が目標電圧以上の１つの燃料電池スタックを選択して、目標電圧以上の出力電圧を得ることが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、出力電圧が低下してきた複数の燃料電池スタックを並列接続することによって出力電圧を増加させるため、燃料電池スタックを長期間使用することができ、燃料電池システムの長寿命化を図ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の本実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図示するように、該燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池スタック１Ａ、１Ｂを備える。
【００１１】
それぞれの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂには、燃料電池の水素極（燃料極）に水素を供給するための燃料ガス供給路２Ａ、２Ｂ、燃料電池からの未反応の水素ガス等を排出するための燃料ガス排出路３Ａ、３Ｂ、燃料電池の酸素極（空気極）に空気（酸素を含む）を供給するための酸化ガス供給路４Ａ、４Ｂ、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂから空気を排出するための酸化ガス排出路５Ａ、５Ｂが接続されている。
【００１２】
また、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂには、それぞれ出力電圧を検出する電圧検出手段６Ａ、６Ｂが取り付けられている。さらに、該燃料電池システム１Ａ、１Ｂは発熱した燃料電池を冷却する冷却装置７と、燃料電池システムの作動を制御する制御ユニット１０を備えている。
【００１３】
燃料電池スタック１Ａ、１Ｂは、例えば、フッ素樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する単位セルを、複数層積層して構成されており、各セルの燃料極には、燃料ガスが供給され、一方、酸素極（空気極）には酸化ガス（空気）が供給される。そして、各セルは電気的に直列接続されており、各セルの発電電圧を加算した電圧が燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの出力となる。
【００１４】
燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの出力は、切替手段であるリレー１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを介して外部の負荷へ供給される。特に、これらのリレー１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを制御することによって、単独の燃料電池スタック１Ａまたは１Ｂから電池出力を独立して取り出すことができ、また２つの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂを並列接続して双方の燃料電池スタック１Ａ、１Ｂから電池出力を取り出すことも出来る。
【００１５】
例えば、燃料電池スタック１Ａから電池出力を取り出す場合、リレー１３Ａ、リレー１３Ｃは接続され、リレー１３Ｂ、リレー１３Ｄは開放される。燃料電池スタック１Ｂから電池出力を取り出す場合、リレー１３Ｂ、リレー１３Ｄは接続され、リレー１３Ａ、リレー１３Ｃは開放される。また燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの双方から電池出力を取り出す場合、すべてのリレー１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄは接続される。これらのリレー１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄの開放、接続は制御ユニット１０により制御される。
【００１６】
燃料ガス供給路２Ａ、２Ｂには調節バルブ１４Ｅ、１４Ｇ、燃料ガス排出路３Ａ、３Ｂには調節バルブ１４Ｆ、１４Ｈ、酸化ガス供給路４Ａ、４Ｂには調節バルブ１４Ａ、１４Ｃ、酸化ガス排出路５Ａ、５Ｂには調節バルブ１４Ｂ、１４Ｄが取り付けられており、これらバルブによって各燃料電池スタック１Ａ、１Ｂにおける各セルへの燃料ガスおよび酸化ガスの供給が制御される。
【００１７】
燃料電池スタック１Ａのみで発電を行う場合、燃料ガス供給装置（図示せず）より供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）は、燃料ガス供給路２Ａを通り、燃料電池スタック１Ａの各セルの燃料極に供給される。未反応の燃料ガスを含む排ガスは燃料ガス排出路３Ａを通り、燃料電池スタック１Ａから排出される。この際、調節バルブ１４Ｅ、１４Ｆは開状態にあり、調節バルブ１４Ｇ、１４Ｈは閉状態にある。また、酸化ガス供給装置（図示せず）より供給される酸化ガス（例えば、空気）は、酸化ガス供給路４Ａを通り、燃料電池スタック１Ａの各セルの酸素極に供給される。未反応の酸素ガスや窒素ガス等は酸化ガス排出路５Ａを通り、燃料電池スタック１Ａから排出される。この際、調節バルブ１４Ａ、１４Ｂは開状態にあり、調節バルブ１４Ｃ、１４Ｄは閉状態にある。
【００１８】
燃料電池スタック１Ｂのみで発電を行う場合、燃料ガスは、燃料ガス供給路２Ｂを通り、燃料電池スタック１Ｂの各セルの燃料極に供給され、酸化ガスは、酸化ガス供給路４Ｂを通り、燃料電池スタック１Ｂの各セルの酸素極に供給される。排ガスは、燃料ガス排出路３Ｂ、酸化ガス排出路５Ｂを通り、燃料電池スタック１Ｂから排出される。この際、調節バルブ１４Ｇ、１４Ｈ、１４Ｃ、１４Ｄは開状態にあり、調節バルブ１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ａ、１４Ｂは閉状態にある。
【００１９】
燃料電池スタック１Ａ、１Ｂで同時に発電を行う場合、調節バルブ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ、１４Ｈをすべて開状態にする。これによって、燃料ガスは、燃料ガス供給路２Ａ、２Ｂを通り、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの各セルの燃料極に供給され、酸化ガスは、酸化ガス供給路４Ａ、４Ｂを通り、それぞれの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの各セルの酸素極に供給される。また、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂからの排ガスは燃料ガス排出路３Ａ、３Ｂ、酸化ガス排出路５Ａ、５Ｂを通り排出される。これらの調節バルブ１４Ａ〜１４Ｈは制御ユニット１０により開閉制御される。
【００２０】
冷却装置７は、熱交換器８と、冷却水ポンプ９を含み、熱交換器８により冷却した冷却水を燃料電池スタック１Ａ、１Ｂに形成された冷却水管路１５に供給する。冷却水管路１５には、調節バルブ１４Ｋ、１４Ｌ、１４Ｉ、１４Ｊが取り付けられている。これらの調節バルブ１４Ｋ、１４Ｌ、１４Ｉ、１４Ｊも制御ユニット１０により開閉制御される。
【００２１】
本実施形態の燃料電池システムの動作は、制御ユニット１０によって制御される。該制御ユニット１０は、マイクロコンピュータなどで構成され、入力信号に応じた制御信号を該制御ユニット１０と接続するバルブ調節駆動回路１１、リレー駆動回路１２に供給する。
【００２２】
制御ユニット１０は、電圧検出手段６Ａ、６Ｂからの電圧信号に基づいて、リレー駆動回路１２に制御信号を送りリレー１３Ａ〜１３Ｄの接続開放を制御するとともに、バルブ調節駆動回路１１に制御信号を送り各調節バルブ１４Ａ〜１４Ｌの開閉を制御する。
【００２３】
以下、燃料電池システムの動作を経時的に詳細に説明する。また図２において、該燃料電池システムの動作の流れの概略を示す。
【００２４】
まず、燃料電池スタック１Ａのみを使用して、目標電圧（下限電圧）Ｖ以上の電圧で発電する場合（ＳＴＥＰ１）を説明する。燃料ガスおよび酸化ガスは、所定の電流密度Ｉで燃料電池スタック１Ａを発電させるために設定された供給量で、燃料電池スタック１Ａへ供給される。これによって、各セルにおいて発電が生起され、その発電電力を加算した出力が燃料電池スタック１Ａにおいて得られる。なお、冷却装置７は発電のため発熱する燃料電池スタック１Ａを冷却している。燃料電池スタック１Ａの出力は、燃料電池スタック１Ａの端子（酸素極側）がマイナス出力、端子（燃料極側）がプラス出力となっており、これら端子が、それぞれリレー１３Ａ、１３Ｃを通って外部の負荷と接続されることで、負荷へ電力が供給される。
【００２５】
燃料電池スタック１Ａに備え付けられている電圧検出手段６Ａは、燃料電池スタック１Ａの出力電圧Ｖ１を検出する。検出された出力電圧Ｖ１の電圧信号は、電圧検出手段６Ａより制御ユニット１０に送信される。電圧検出手段６Ａは、通常の電圧計が利用されるが、アナログの電圧信号を出力しても、デジタルの電圧データを出力してもよい。また、これら信号は、制御ユニット１０に対し、所定の時間間隔で定期的に送信してもよいし、制御ユニット１０が定期的に信号を受信してもよい。
【００２６】
制御ユニット１０は、検出された出力電圧Ｖ１が目標電圧（下限電圧）Ｖを下回っているか否かを判断する（ＳＴＥＰ２）。Ｖ１≧Ｖの場合、そのまま燃料電池スタック１Ａの発電は継続される。Ｖ１＜Ｖの場合、制御ユニット１０は、燃料電池スタック１Ａによる発電を停止し、発電を燃料電池スタック１Ｂに切り替える動作を行う（ＳＴＥＰ３）。
【００２７】
切り替えの動作においては、制御ユニット１０から、それまで開状態にあった調節バルブ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｉ、１４Ｋに制御信号が送られ、これらの調節バルブは閉状態にされる。一方、制御ユニット１０から、それまで閉状態にあった調節バルブ１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｇ、１４Ｈ、１４Ｊ、１４Ｌに制御信号が送られ、これらの調節バルブは開状態となる。またその切り替えの際、制御ユニット１０からリレー１３Ａ、１３Ｃにリレーを開放する制御信号が送られリレー１３Ａ、１３Ｃは開放し、一方、制御ユニット１０からリレー１３Ｂ、１３Ｄにリレーを接続する制御信号が送られリレー１３Ｂ、１３Ｄは接続される。
【００２８】
上記切り替え後、燃料ガスおよび酸化ガスは、所定の電流密度Ｉで燃料電池スタック１Ｂを発電させるために設定された供給量で、燃料ガス供給路２Ｂおよび酸化ガス供給路４Ｂを通って燃料電池スタック１Ｂに供給される。また冷却装置７は燃料電池スタック１Ｂの発電を冷却する。燃料電池スタック１Ｂの出力は、燃料電池スタック１Ｂから、リレー１３Ｂ、１３Ｄを通って外部の負荷へ供給される。
【００２９】
この状態で、燃料電池スタック１Ｂに備え付けられている電圧検出手段６Ｂは、燃料電池スタック１Ｂの（定格）出力電圧Ｖ２を検出する。検出された出力電圧Ｖ２の電圧信号は、電圧検出手段６Ｂより出力され、制御ユニット１０に入力される。
【００３０】
制御ユニット１０は、検出された出力電圧Ｖ２が目標電圧（下限電圧）Ｖを下回っているか否かを判断する（ＳＴＥＰ４）。Ｖ２≧Ｖの場合、そのまま燃料電池スタック１Ｂの発電は継続される。Ｖ２＜Ｖの場合、制御ユニット１０は、燃料電池スタック１Ｂのみで発電することを停止し、並列接続した２つの燃料電池スタック１Ａおよび１Ｂを使用した発電に切り替える動作を行う（ＳＴＥＰ５）。
【００３１】
この切り替えにおいて、制御ユニット１０から、それまで閉状態にあった調節バルブ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｉ、１４Ｋに制御信号が送られ、これらの調節バルブは開状態にされる。なお調節バルブ１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｇ、１４Ｈ、１４Ｊ、１４Ｌはそのまま開状態にある。またその切り替えの際、制御ユニット１０からリレー１３Ａ、１３Ｃにリレーを接続する制御信号が送られリレー１３Ａ、１３Ｃは接続される。なおリレー１３Ｂ、１３Ｄはそのまま接続された状態にある。
【００３２】
ここで、燃料電池スタック１Ａおよび１Ｂより出力される電圧をＶ３とすると、制御ユニット１０は、出力電圧Ｖ３が目標電圧（下限電圧）Ｖを下回っているか否かを判断する（ＳＴＥＰ６）Ｖ３≧Ｖの場合、そのまま燃料電池スタック１Ａおよび１Ｂの発電は継続される。Ｖ３＜Ｖの場合、制御ユニット１０は、燃料電池スタック１Ａおよび１Ｂによる発電を停止する制御を行う。なお、燃料電池スタック１Ａと１Ｂの出力電圧は、出力端における電圧検出手段（図示せず）により測定されるものであるが、上記電圧検出手段６Ａ、６Ｂにより、各燃料電池スタック１Ａ、１Ｂの出力電圧を測定し、それぞれの出力電圧を、並列接続した燃料電池スタック１Ａと１Ｂの出力電圧として代用することも可能である。
【００３３】
このように、２つの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂが並列接続されると、各燃料電池スタック１Ａ、１Ｂのそれぞれの電流密度はともにＩ／２ずつであれば良い。すなわち、２つの燃料電池スタック１Ａ、１Ｂがそれぞれ別個に発電を行っている場合には、それらの電流密度は、Ｉであるが、これらが並列接続されると、各燃料電池スタック１Ａ、１Ｂは、所定の電流密度Ｉ／２で発電を行えばよい。従って、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂを並列接続した場合、燃料電池スタック１Ａ、１Ｂは、電流密度をＩ／２の状態で発電を行えば、必要な目標電圧が得られることになる。
【００３４】
ここで、燃料電池において、その出力電圧は、電流密度によって変化することが知られている。例えば、図３に示すように、電流密度（A/cm2）が大きくなると、燃料電池の出力電圧(V)は低くなる。そこで、電流密度を小さくすることで、燃料電池の出力電圧は高くなる。本実施形態においては、１つの燃料電池スタックの出力電圧が低くなったときに、２つの燃料電池スタックを並列接続する。これによって、１つの燃料電池スタックにおいて、電流密度が小さくなり、２つの燃料電池スタックを並列接続したものの出力電圧は、それぞれの燃料電池スタック単独の場合に比べ高くなる。従って、２つの燃料電池スタックの出力電圧を独立して取り出していた場合において、出力電圧が低くなったときに、これら燃料電池スタックを並列接続することで、燃料電池システムとしての出力電圧を上昇することができ、出力電圧を目標電圧Ｖ以上にすることができる。
【００３５】
ここで上記実施形態の燃料電池システムの出力電圧の変化を図４において示す。該燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１Ａのみで発電を行うと、出力電圧は時間の経過と共に次第に低下し、やがて目標電圧（下限電圧）を下回る。次に燃料電池スタック１Ｂに発電を切り替えると、再び出力電圧が目標電圧以上になる。燃料電池スタック１Ｂで発電を継続すると、次第に燃料電池スタック１Ｂの出力電圧は低下し、やがて目標電圧を下回る。その後、それぞれ単独では目標電圧以上の出力電圧を得られない燃料電池スタック１Ａおよび１Ｂを、並列接続して発電を行うと、再び目標電圧以上の出力電圧が得られるようになる。
【００３６】
なお、２つの燃料電池スタックを直列接続すると、その出力電圧は２つの燃料電池スタックの出力電圧の加算になってしまい、そのままの電圧を電源電圧にすることは通常できない。
【００３７】
本実施形態によれば、燃料電池スタックを並列接続することによって、出力電圧が上昇するので、その出力電圧変化は電流密度の変化に対応する分であり、それほど大きな変化ではない。そこで、通常の並列接続した場合の出力をそのまま電源電圧出力として利用することができる。
【００３８】
また、この並列接続の出力を利用することで、性能が劣化した燃料電池スタックを利用して、所望の電圧出力（定格出力）を維持することができ、燃料電池スタックの長寿命化を図ることができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では、２つの燃料電池スタックを並列接続する場合について記載したが、２つ以上の複数の燃料電池スタックを並列接続することも好適である。
【００４０】
上記実施形態において、調節バルブとしてはシャット弁を使用することが出来るが、例えば三方弁等の他の公知の切替弁を調節バルブとして使用してもよい。
【００４１】
上記実施形態において、発電を停止した燃料電池スタックは、燃料ガス、酸化ガスの供給が停止された状態にあるが、その際、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを、発電を停止した燃料電池スタックに供給しても良い。
【００４２】
上記実施形態において、電気出力の切り替えをリレーにおいて実現したが、例えば半導体を用いて電気出力を行う等、公知の手段によって電気出力の切り替えを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態である燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池の電圧−電流密度（Ｖ−Ｉ）曲線を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態である燃料電池システムにおける出力電圧の経時的変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池スタック、２Ａ，２Ｂ  燃料ガス供給路、３Ａ，３Ｂ  燃料ガス排出路、４Ａ，４Ｂ  酸化ガス供給路、５Ａ，５Ｂ  酸化ガス排出路、６Ａ，６Ｂ  電圧検出手段、７  冷却装置、８  熱交換器、９  冷却水ポンプ、１０  制御ユニット、１１  バルブ調節駆動回路、１２  リレー駆動回路、１３Ａ〜１３Ｄ  リレー、１４Ａ〜１４Ｌ  調節バルブ、  １５  冷却水管路。
【図１】
2006244795.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006244795.tif 000006